(57)【要約】【課題】    レーザビーム照射による加熱と冷却液噴霧による冷却によって惹起される熱応力に起因して、表面層にスクライブ線を発生させたガラスなどの脆性材料において、高い位置精度やカレット発生のないクリーン状態を維持したまま、材料の全厚みにわたってブレークを行うこと。【解決手段】    レーザスクライブしたガラスなどの脆性材料において、材料表面の垂直方向に偏心した中心軸の周りの回転応力を材料に印加することによって、材料にスクライブ線位置で曲げと引き裂きを発生させ、ブレークを行うことができる。    このように、曲げと引き裂きを同時に発生させつつブレークを行うと、材料の割断面は相互に擦れあうことがないのでカレットが発生せず、レーザスクライブの特性とあいまって後工程を不要とする高品質の割断が実現できる。【選択図】    図８
2006137170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に傷を形成したガラス、石英、セラミック、半導体などの脆性材料で、曲げと引き裂きを同時に発生させることを特徴とする割断装置。
【請求項２】
請求項１において、曲げと引き裂きの同時発生を、材料に表面の垂直方向に変移した中心軸の周りの回転応力を印加することによって実現する割断装置。
【請求項３】
請求項２において、同心上に構成された回転軸受け部とその軸芯から偏芯した位置に設けた材料保持部からなる割断装置。
【請求項４】
請求項２において、回転応力の印加点が材料端部に位置する割断装置。
【請求項５】
請求項２において、回転応力の印加点が材料全長にわたる割断装置。
【請求項６】
請求項２において、回転応力の印加点が材料の数点に分布する割断装置。
【請求項７】
請求項２において、回転応力の印加点が材料のブレーク方向に移動する割断装置。
【請求項８】
請求項７において、回転応力の印加がローラ、カンチレバー、バー、コロ、滑りなどを介在して行われる割断装置。
【請求項９】
請求項２において、割断予定線片側の材料を予定線が材料支持台からはみ出すように支持台に固定し、他方側材料の割断予定線に曲げと引き裂きを同時発生するように、材料に表面の垂直方向に変移した中心軸の周りの回転応力を印加する構成にした割断装置。
【請求項１０】
請求項９において、材料と材料支持台上面の間に柔らかなシートを挟んだ割断装置。
【請求項１１】
請求項２において、電気、磁気、空圧、油圧、水圧などからの駆動力を用いて装置駆動をする割断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は脆性材料、なかんずくガラスなどの脆性材料の割断方法及び同用装置に関する。本出願では特にガラスを対象とした説明を行っているが、ガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの脆性材料一般に適用が可能である。
【背景技術】
【０００２】  脆性材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用した機械的方法で切断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去１世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。【０００３】  ところがこうした機械的方法には、次に述べるような欠点が存在する。第一は、切断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、切断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百ミクロン程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。【０００４】  窓ガラスの切断などは従来技術で問題ないが、液晶表示器やプラズマ表示器などに使用するファイン・ガラス切断の場合、マイクロクラック対策のために切断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要である。【０００５】  それに対して、レーザ割断には次に述べるような特徴がある。第一に、質量損失がゼロ（カレット発生なし）で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが１μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形精度が±２５μ以下である。第五に、ガラス板厚０．２ｍｍまでの薄さに使用でき、今後の液晶ＴＶ用に使用できる。【０００６】  ガラスに高エネルギー密度のＣＯ２レーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに切断を進行させることは出来ない。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものより十分低いものに設定すると、ガラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。この時ガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張ができず、照射点を中心としてその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に移動させるのである。加熱後に冷却液を噴霧することによって冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。図１に示すようにレーザビームの断面形状を適当なものに成形すると、光の移動方向と直交する方向のみに、引っ張り張力が発生する。同図において、１は加熱レーザビーム、２はガラス内部の圧縮応力、３は冷却液、４はガラス内部の引っ張り張力である。この引っ張り張力の作用で割断亀裂５が生じる。図２に示すガラス板６において、始点に機械的方法によるトリガークラック８をつけておくと、割断亀裂５はこのトリガークラックから発生し、レーザビームの移動方向７に沿って進行させることができる。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、こうした張力を生じるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、こうした最適分布が研究されている。図１および図２に示す加熱レーザビーム１は、この最適化がなされたものである。【０００７】  こうした最適分布の実現方法については、下記の特許出願がなされている。
特許出願番号２００３−３６３８５５
特許出願番号２００４−１５６８９１
このガラス割断へのレーザ応用は、これから需要が急増するファイン・ガラス全般の加工において、必要不可欠のものであるといえる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  ＣＯ２レーザビーム照射によるガラスの熱応力割断においては、図３に示すようにＣＯ２レーザビームはガラス表面層だけで吸収され、ガラスの全厚さにわたって透過しない。レーザによる割断（レーザスクライブと称する）の深さは、通常１００μ程度である。同図において、９がレーザスクライブ面である。同面をこれより深くするためには、深さ方向への熱伝導によって深部における温度変化を発生させねばならない。この場合加工速度は著しく減少するので、通常は行わない。図４に示す機械的スクライブ面も、通常は同程度の深さである。さてガラスは脆性が強いので、このスクライブ線にあわせて機械的に割断することが容易である。このプロセスをブレークと称する。【０００９】  従来は、機械スクライブとブレークの組み合わせでガラス割断を行っている。機械スクライブの場合、図４に示すようにスクライブ線付近にはマイクロクラックが多量存在するので、ブレークは比較的容易である。ただし同図１２に示すように、機械スクライブ後のブレーク面は必ずしもガラス表面に直交する一平面を構成しない。機械スクライブの場合には、ブレーク後に割断面を研磨洗浄するので、ブレーク自体には高品質は要求されないのである。【００１０】  ところが、レーザスクライブの場合、スクライブ線付近にマイクロクラックが存在しないので、同一のスクライブ深さに対してブレークは、より困難になる。また、ブレークが最終工程でありその後に研磨洗浄を行わないので、ブレーク面の位置精度、角度精度、清浄さが要求される。カレットが付着していることも許されない。このために、機械スクライブ後のブレーク技術として開発された従来の方法は、レーザスクライブの場合使用できない。本発明は、レーザスクライブに最適のブレーク技術に関する。これらの条件が満たされると、レーザスクライブ後のブレーク面は図３の１０に示すようにガラス表面に直交する一平面になり、理想的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  ガラスのような脆性材料に亀裂を安定に発生させる負荷法として、図５に示すダブルトーション法と称する荷重負荷法がある。これは、ガラス板６をレーザスクライブ面９が拡がる方向に曲げる方法で、できるだけ小さな荷重でブレークを行わせる方法である。スクライブ面から離れた位置での上面から下向きの印加応力１３および１３１を、またスクライブ面近傍の下面から上向きの印加応力１４および１４１を加える。本発明は基本的にこの原理を利用しているが、曲げと同時にブレーク両側のワークに引き離し力を加えて、ブレーク時にワークが擦れ合ってカレットが発生することを防止している。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなるガラス割断を常に最適条件下で行うことができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい技術上の利点がありながら、いまだに過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカッター方式を置換できないでいる。その主たる原因は、ブレークが容易にできないことであった。そのために、実際の生産現場で使用されるには至っていなかった。【００１３】  本発明は、こうした事態の解決を可能にしている。その直接の効果として、次に挙げるものがある。
１）割断位置精度が高い。
２）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
３）割断面傾きが高精度である。
４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
５）スクライブ、ブレークともに自動化ができる。
６）スクライブ、ブレークともに高速度で行える。
７）研磨、洗浄などの後工程が省略できる。【００１４】  このようにガラスのレーザ割断が、ダイアモンドカッター使用のような従来の機械的方法に比較して、著しく進歩することになる。レーザによるガラス割断が普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  ここでは液晶テレビ用ガラスのような長尺ワークを割断する場合を想定して最良の形態を説明する。微細ワークの場合や、割断チップ数が極めて多数の場合など、異なったケースにおいては最良の形態が変化するが発明技術の本質は変わらない。【００１６】  図６に示すように、レーザスクライブ面９を中心として、ガラス板６の一方を材料支持台１５上に固定し、スクライブ面の反対側に下向きの印加応力１３と上向きの印加応力１４を加えてブレークを行う。レーザスクライブ後のブレーク面１０はガラス板の端部から発生し、徐々に進行する。この場合、スクライブ面９の位置を材料支持台の端部から外側に若干離す必要がある。この変移量は、ガラス種類、厚さ、割断速度などの諸条件によって決められる最適量にする必要がある。通常の液晶テレビ用ガラスの場合、この変移はおおよそ１０ｍｍ程度である。ガラスは材料支持台上面に直接接触させるよりも、やわらかいシート１６を介在させて固定したほうが切断面がきれいになる。【００１７】  本発明の動作原理を、図７を用いて説明する。本発明では、曲げと引き裂きの同時実現を目的とする。そのために、スクライブ部９の下方にあたるガラス板６から垂直方向に偏芯した位置１７に回転中心をおく回転力を、回転応力印加方向１８の方向にガラス板６に印加する。スクライブ部９を回転中心にすると、曲げは実現できるが引き裂きは実現できない。偏芯方向がガラス板６内部のスクライブ部から水平方向にあると、擦りあいが発生しカレットが発生する。曲げと材料の引き離しは、回転軸がスクライブ部からガラス板の垂直方向に変移しているときに実現できる。図７では、回転中心１７はスクライブ部９の位置から真下のガラス下面からεだけ離れた所にある。ガラスの板厚をｄとすると、回転角θに対して、ガラス上面のスクライブ位置では材料は曲げと同時に（ｄ＋ε）θだけ離れる。同下面でもεθだけ離れ、この分離がきれいなブレークを実現するのである。この場合、擦りあいはない。これは極端な例であって、実際には変移方向に若干ガラスの平行方向成分が混じっていてもいい。
【実施例】
【００１８】  図８に、本発明の第一の実施例を示す。ここでは回転応力印加装置１９を使って、ガラス６に曲げと引き裂きを行う。同装置は、軸受け部２０と材料保持部２１から構成される。軸受け部は回転中心軸１７の周りに、回転応力印加方向１８の方向に回転する。さて、回転中心軸１７はガラス表面上のスクライブ面９の位置から、垂直下方向にεだけ偏心している。ガラス板６は材料保持部２１に固定されており、図７の説明通りにスクライブ部で回転方向１８に曲げられると同時に、引き裂きを受ける。材料保持部の構造次第では、回転中心軸１７はスクライブ面９の真下におくことも、あるいは適当量だけ左右にずらすこともできる。【００１９】  この実施例では回転応力印加装置を回転応力印加方向１８の方向に捻っていくと、ガラス端部のトリガークラック８を起点としてブレークが発生し、レーザスクライブ後のブレーク面１０が発生する。徐々にねじり量を増大させていくと、ブレークが進行する。ガラス端面を保持してねじりを加えただけで、ブレークが２ｍにわたって進行することが確認できた。その時ブレークに要する時間は約１秒であった。この駆動を電気、磁気、空圧、油圧、水圧などからの駆動力で行うことができる。【００２０】  図９に、本発明の第二の実施例を示す。図８では、材料の端部のみを保持して回転応力を印加して、ガラス全長にわたってはブレークされたガラス片のねじれを通した応力印加によって行った。図９の方式では、ガラスを全長にわたって全域型回転応力印加装置２２を使って保持し、回転応力印加は長さ方向にわたって一度に行う。【００２１】  この方式は、ガラス長が極端に長い場合に適用できる。またブレークされたガラス片はブレーク後にも保持されるので、材料をあやまって傷つけることがない。図９に示した全域型回転応力印加装置は、簡単のために材料保持部だけを示し全体構造については省略したが、ガラスに曲げと引き裂きを実現するための前記した技術要素が採用されている。【００２２】  図１０に、本発明の第三の実施例を示す。この実施例では、第二の実施例がガラス板６の全長にわたって回転応力を印加していたのに対して、分布型回転応力印加装置２３，２３１，２３２などを用いて数箇所の保持点で応力印加を行う。【００２３】  図１１に、本発明の第四の実施例を示す。この実施例では、移動型回転応力印加装置２４を用いてガラス板６の一点で応力印加を行うが、この印加点がガラス板の端部から出発し、移動型回転応力印加装置移動方向２５に従って終点まで移動するのである。回転応力印加点はガラス表面を移動していくので、応力印加はローラ、カンチレバー、バー、コロ、滑りなどを介在して行う。この移動機構も、電気、磁気、空圧、油圧、水圧などからの駆動力で駆動することができる。【００２４】  以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の機構例であって、本発明の精神はその他の多くの方法で実現可能であることは言をまたない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルデスプレィ、モバイルやカーナビ用表示器、光学装置用ＩＲフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。レーザ割断で、こうした問題を解決することができる。ＩＣチップカバーガラスなど微小チップの加工にも、本発明は応用できる。大型ワークの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大きい。【００３１】  自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられるレーザ加工への期待は大きい。【００３２】  さらに、建築資材としての強化ガラスの加工で、犯罪防止という現代社会に求められている課題解決に貢献できる。強化ガラスの切断は機械的方法では困難であり、レーザの使用が期待されているのである。【００３３】  このように、ガラス割断を改善するレーザ技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】レーザ光加熱および冷却によるガラス内の圧縮応力および引っ張り張力の発生原理図。
【図２】レーザによるガラス割断原理図。
【図３】ガラスのレーザスクライブ。
【図４】ガラスの機械スクライブ。
【図５】ダブルトーション負荷法原理図。
【図６】本発明で用いる改良型ダブルトーション負荷法原理図。
【図７】本発明の動作原理図。
【図８】本発明の第一の実施例。
【図９】本発明の第二の実施例。
【図１０】本発明の第三の実施例。
【図１１】本発明の第四の実施例。
【符号の説明】
【００３５】  １    加熱レーザビーム
２    ガラス内部の圧縮応力
３    冷却液
４    ガラス内部の引っ張り張力
５    ガラスに生じる割断亀裂
６    ガラス板
７    レーザビームの移動方向
８    トリガークラック
９    レーザスクライブ面
１０    レーザスクライブ後のブレーク面
１１    機械スクライブ面
１２    機械スクライブ後のブレーク面
１３    下向きの印加応力
１３１  同
１４    上向きの印加応力
１４１  同
１５    材料支持台
１６    やわらかいシート
１７    回転中心軸
１８    回転応力印加方向
１９    回転応力印加装置
２０    軸受け部
２１    材料保持部
２２    全域型回転応力印加装置
２３    分布型回転応力印加装置
２３１  同
２３２  同
２４    移動型回転応力印加装置
２５    移動型回転応力印加装置移動方向
【図１】
2006137170.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006137170.tif 000006
【図５】
2006137170.tif 000007
【図６】
2006137170.tif 000008
【図７】
2006137170.tif 000009
【図８】
2006137170.tif 000010
【図９】
2006137170.tif 000011
【図１０】
2006137170.tif 000012
【図１１】
2006137170.tif 000013